本文引自《浙 江 大 學 學 報 （工學版）》2011年2月，第45卷第二期，作者虞育杰，劉建忠，張傳名，趙衛東，周俊虎，岑可法。版權歸原作者所有。

摘 要：為了研究低揮發份煤的制備水煤漿的性能，利用黏度計對水煤漿的溫度、表觀黏度、剪切應力以及剪切速率等參數進行測量和計算，分析加入５種不同添加劑后低揮發分煤水煤漿的成漿特性、大成漿質量分數、溫升特性、流變特性等性能，發現水煤漿的黏度隨著質量分數的增加而升高；在黏度為１０００ｍＰａ·ｓ時，加入不同添加劑的低揮發分水煤漿的大成漿質量分數均在７０％左右；加入不同添加劑對水煤漿的溫升性能有不同影響，水煤漿的黏度隨著溫度的升高而逐漸降低，但是當水煤漿質量分數較高時，高溫可能導致部分添加劑失效；隨著剪切速率的增加，水煤漿的黏度逐漸降低，為假塑性流體．結果表明低揮發份煤具有很好的性能用于制備高濃度水煤漿．

關鍵詞：低揮發分煤；添加劑；水煤漿；成漿特性；流變特性

水煤漿是由煤粉，水和少量添加劑混合加工制成的穩定流體．影響水煤漿成漿和流變特性的因素很多，其中重要的因素是煤質特性．研究表明，影響成漿性和流變性的煤質因素主要包括煤的變質程度、表面親水性、孔隙率、礦物的種類與含量、可磨性、煤巖［１－７］組分以及表面性質等。煤的變質程度越低，煤中氧碳比越高，親水官能團越多，內在水分越高，孔隙越發達，可磨性指數越小，則煤的成漿性越差，盡管上述因素都屬于煤的自然屬性，但制備水煤漿用的各種添加劑，可以在一定范圍內程度不同地改變這些屬性，如果不利于成漿的某些因素被減弱，或有利于成漿的因素被增強，都能提高煤的成漿性［８］．此外，為了提高水煤漿熱值，一般建議采用精煤制漿，以往的研究基本［９－１０］上集中在精煤成漿特性和流變特性的研究 ．隨著應用范圍的擴大，對煤種的限制已成為水煤漿推廣應用的主要障礙，近年來采用原煤（一般是高揮發分和高熱值）制漿已成為一個新的研究方向，但原煤和精煤在成漿特性等方面顯然存在較大差異，因此，對原煤成漿特性、流變特性和穩定性的研究將成為研究熱點．

本文主要對一種擬在電廠使用的低揮發分原煤的成漿性、流變性和穩定性進行研究，包括加入不同添加劑對低揮發分煤成漿的影響，并對其大成漿質量分數、溫升特性和流變特性的影響進行研究，尋找能與這種低揮發分煤達到佳匹配的添加劑，獲得佳成漿效果．對低揮發分煤成漿特性的研究在國內外研究成果將對擴大水煤漿煤種的選擇和降低水煤漿燃料成本有重要的意義．

１  實驗部分

１．１  實驗樣品及其制備

如表 １ 所示是低揮發分煤的煤質分析，從中可以看出，該煤種的內在水分低、含氧量低，有利于制備高質量分數水煤漿．

將低揮發分煤磨制成煤粉，平均粒徑約為2８μｍ．采用干法制漿：先計算出制漿所需的煤粉量和水量，然后添加質量為干煤粉量０．８％的添加劑，使用電動攪拌器將煤粉、水和添加劑攪拌均勻 ． 攪拌速率設定為 １０００ｒ ／ ｍｉｎ ，攪拌時間１５ｍｉｎ．添加劑包括安陽雙環 ＮＣ添加劑、安陽雙環 Ｍ 添加劑、南京大學研制的分散劑、棗莊八一水煤漿廠生產的分散劑和木質素磺酸鈉 ． 其中安陽雙環 ＮＣ和 Ｍ 添加劑含有少量的穩定劑；木質素磺酸鈉是一種天然高分子聚合物，具有很強的分散性 ．

１．２  水煤漿黏度的測定

使用 ＨＡＡＫＥ ＶＴ５５０ 型 黏 度 計，采 用 ＧＢ ／Ｔ１８８５６．４ － ２００２［ １１ ］ 規定的方法測量水煤漿的黏度和流變特性．將適量水煤漿樣品倒 入測 量 容器，在２０±０．０５℃ 的恒溫水浴中，使剪切速率從 ０ 升至１００ｓ－１ ，在剪切速率為１００ｓ －１ 時．每隔１ｍｉｎ記錄一次實驗數據，共計５次，然后將所有數據取平均值即為水煤漿的表觀黏度 η ．

１．３  水煤漿質量分數的測定

采用 ＧＢ ／ Ｔ１８８５６．２ － ２００２［ １１ ］ 中規定的干燥法進行水煤漿質量分數 ｗ測量．

２  結果與討論

２．１  低揮發分水煤漿成漿特性

２．１．１  添加劑對成漿特性的影響  

如圖１所示是采用５種不同添加劑時，低揮發分水煤漿的成漿特性曲線．由圖１可見，加入不同的添加劑時，低揮發分煤的成漿特性的變化規律基本一致．在這５種添加劑中，將表現黏度 η 為 １ ０００ＭＰａ · ｓ 時對應的定黏質量分數 ｗ ｄ （水煤漿）確定為水煤漿的大成漿質量分數（見表２ ），可以得到加入不同添加劑時低揮發分煤的大成漿質量分數均為７０％左右，這表明這種低揮發分煤是屬于易成漿的煤種．加入南大分散劑時的大成漿質量分數高，約為７１．６２％．

由于添加劑種類不同，與煤表面的相互作用（如有效吸附作用等）也不同，因此添加劑對于煤顆粒的分散效果也相應不同．也就是說，煤種與添加劑之間存在“適應性”或“配合”問題．由表２知，南大分散劑對汕頭低揮發份煤顆粒的分散效果好，明顯優于其他添加劑．

２．１．２ 成漿質量分數與黏度的關系

圖 １表明低揮發分煤在加入不同的添加劑后，表觀黏度都隨著質量分數的增加而變大．這是因為隨漿體質量分數增加，漿體體系中固體顆粒質量分數增加，顆粒之間起潤滑作用的自由流動水質量分數減少，顆粒之間摩擦力增加，導致漿體的黏度增加，即對于同一種煤，漿體的黏度與漿體質量分數呈正相關特征．

３．１．３ 低揮發分水煤漿溫升特性

水煤漿的溫升性能影響磨機的磨礦效果，一般希望水煤漿的表觀黏度隨著溫度ｔ的升高而降低，這對磨礦的過程是有利的，反之則可能影響到磨礦過程．此外，為了達到較好的霧化效果，水煤漿在爐前往往進行加熱，以降低黏度。

因此，對水煤漿黏溫特性的了解是十分重要的．如圖２～６所示是低揮發分煤加入不同的添加劑后水煤漿的溫升性能曲線，可以看出，低揮發分水煤漿的溫升性能受添加劑的影響較大，其表觀黏度隨著溫度的升高而降低；其中加入南大分散劑和安陽雙環 ＮＣ添加劑所制成的水煤漿有較好的溫升性能，在較高質量分數下仍能保持其表觀黏度隨著溫度的升高一直降低；而加入木質素磺酸鈉、八一分散劑和安陽雙環 Ｍ 添加劑所制成的漿樣，在質量分數較低時，表觀黏度隨著溫度的升高而降低．隨著質量分數的升高，表觀黏度隨著溫度的升高先降低后升高，在較高質量分數時，表觀黏度隨著溫度的升高迅速上升，并出現劇烈波動．這是由于質量分數較低時，隨著溫度的升高，分子間的距離增大，分子間的相互作用力減弱．由于表面張力是分子間的作用力引起的，分子間作用力的減弱導致表面張力的變小，使得水煤漿的表觀黏度降低１３－１４ ．而當質量分數較高時，添加不同添加劑后，漿體隨溫度的變化規律不盡相同，這可能與添加劑的溶解度不同，分散功能隨溫度升高失效的程度不同有關．

２．２ 低揮發分水煤漿流變特性

２．２．１ 添加劑對流變特性的影響 

如圖７～１１所示分別為低揮發分煤加入５種不同添加劑后成漿的流變特性曲線．流變特性是水煤漿的一個重要質量指標，對水煤漿的儲存、運輸和燃燒都有較大影響．由 圖７～１１可見，低揮發分煤水煤漿在質量分數較低時，其黏度較低，黏度受剪切速率 γ的影響較小，曲線接近水平直線，部分還出現“剪切變黏”的現象；隨著質量分數的提高，加入不同的添加劑后，漿體均表現出明顯的“剪切變稀”的流變特性，即表觀黏度隨著剪切速率γ的增加而逐漸降低．其原因在于：在質量分數較低時，低揮發分水煤漿體系中存在的自由水份額較多，雖然經過攪拌已經成為漿體，但煤顆粒之間由于斥水引力以及范德華力的影響，在某些局部發生相互吸引，形成局部結團，而這些小結團的外圍，則形成水膜和“水包煤”特征，當剪切速率增加時，水膜被打破，小結團內部的顆粒相互分開，形成新的未被潤濕的煤表面，這些表面需要部分自由水進行潤濕，造成漿體體系中原有的自由水份額降低，使漿體黏度升高．隨著漿體質量分數的提高，漿體又會表現為剪切變稀的特征，是因為質量分數升高使漿體體系內自由水減少，在攪拌成漿后，煤顆粒之間相互連接并形成包住水的特征，隨剪切速率的增加，“煤包水”的狀態被打破，自由水流出，使漿體黏度降低 ［１５ ］．

２．２．２  低揮發分水煤漿流變方程和流變特征  

水煤漿屬于非牛頓流體文獻［１６ ］，其流變特征可以采用冪律模型加以描述：τ ＝ Ｋγｎ ，式中：τ 為剪切應力，Ｐａ ； Ｋ 為稠度系數； ｎ 為流動指數， ｎ ＜１時為假塑性流體，ｎ ＞１時為脹塑性流體．使用曲線擬合及小二乘法回歸法，可得到水煤漿的流變方程及各參數的值，對加入 ５ 種不同添加劑的水煤漿進行擬合后的參數見表 ３ ，擬合后的曲線見圖１２～１６．

表３及圖１２～１６表明，添加不同添加劑制取的水煤漿基本都符合冪律模型，只是塑性指數（稠度Ｋ）和流動指數ｎ不同．稠度指數 Ｋ 表示漿體的稠度，Ｋ 值越大，說明漿體越稠，黏度越大，表３中 Ｋ值的變化規律與圖１中表觀黏度的變化相一致，即隨漿體質量分數的增加，Ｋ 值呈增大的趨勢．而流動指數ｎ隨著質量分數的增加而降低，且除了加入南大分散劑和 Ｍ 添加劑的漿樣在質量分數過低時ｎ＞１之外，其余漿樣的流動指數ｎ＜１，為假塑性流體；ｎ變小表明漿體的假塑性特征增強．

３ 結 論

 （１）低揮發分水煤漿的表觀黏度隨著質量分數的增加而增加；其大成漿質量分數較高，屬于易成漿的煤種；不同添加劑的加入對其大成漿質量分數有不同的影響，其中加入南大分散劑時大成漿質量分數高，為７１．６２％．

（２）低揮發分水煤漿具有良好的溫升性能，其表觀黏度隨著溫度的升高而降低；但是當質量分數較高時，添加不同添加劑的水煤漿隨溫度的變化規律不盡相同，部分漿體的黏度隨著溫度的增加先降低后升高，有一個極小值．

（３）低揮發分水煤漿在加入不同的添加劑，尤其在質量分數較高時，能表現出良好的 “剪切變稀”的流變特性，為假塑性流體，這種性能對水煤漿的儲存、運輸和霧化都是有利的．

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